遼寧清原抽水蓄能電站基于不同需求最優(yōu)運行策略研究

王曉涵

（遼寧省撫順市清原滿族自治縣水務(wù)局，遼寧 撫順 113300）

0 引言

抽水蓄能電站是一種儲能水電站，電站承擔(dān)任務(wù)復(fù)雜，運行工況多變，且調(diào)度運行方式不能依靠傳統(tǒng)的水電工程規(guī)則進行簡單處置。在電力系統(tǒng)負荷低谷時，抽水蓄能電站從下水庫抽至上水庫儲存，將電能轉(zhuǎn)化為水的勢能；在電力負荷高峰時，從上水庫放水到下水庫發(fā)電，對應(yīng)過程稱為抽水工況和發(fā)電工況[1]。抽水蓄能電站作為電網(wǎng)綜合輔助管理工具，以水能轉(zhuǎn)換為載體，通過提供系統(tǒng)儲能服務(wù)和多工況調(diào)度運行，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、備用、黑啟動等任務(wù)[2]，是電力系統(tǒng)中重要的穩(wěn)壓器、調(diào)節(jié)器和存儲器。遼寧清原抽水蓄能電站針對發(fā)電調(diào)度運行需求提出相應(yīng)的調(diào)度方式，在防治洪水、冰害和泥沙等方面全面系統(tǒng)地完善了電站服務(wù)功能。

1 工程概況

遼寧清原抽水蓄能電站位于遼寧省清原滿族自治縣，樞紐工程主要包括上下水庫、輸水系統(tǒng)、地面開關(guān)站及地下廠房系統(tǒng)。工程為I 等大（1）型工程，裝機容量1800 MW。電站上、下水庫為抽水蓄能電站專用水庫，無其他綜合利用要求。電站服務(wù)范圍為遼寧電網(wǎng)，主要承擔(dān)調(diào)峰填谷、調(diào)相調(diào)頻、事故備用和黑啟動任務(wù)。

2 清原電站運行管理方式

2.1 發(fā)電調(diào)度運行方式

電站為日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，在遼寧電網(wǎng)中主要承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動等任務(wù)。

1）調(diào)峰運行

根據(jù)遼寧電網(wǎng)預(yù)測2025 水平年負荷特性，遼寧電網(wǎng)冬季早高峰在7：00～11：00，晚高峰出現(xiàn)在17：00～22：00。晚高峰較集中、突出，持續(xù)時間為4 h～5 h，需要的調(diào)峰容量相對比較大，早高峰較平緩，這段時間系統(tǒng)需要的調(diào)峰容量較小。由此分析，遼寧電力系統(tǒng)用電高峰，主要在晚高峰。清原抽水蓄能電站有5 h 發(fā)電庫容完全可以滿足電網(wǎng)的調(diào)峰需求。

2）填谷運行

電站一般于23：00 開始抽水至6：00 結(jié)束，連續(xù)抽水歷時約7 h。

3）調(diào)頻運行

清原電站具有運行靈活、增減負荷響應(yīng)及時的優(yōu)點，在電網(wǎng)系統(tǒng)中可根據(jù)頻率變化跟蹤負荷運行，保證系統(tǒng)周波處于允許范圍，從而提升整個系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

4）調(diào)相運行

抽水蓄能電站具有調(diào)相功能，在不同工況下可通過改變勵磁電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功出力彌補系統(tǒng)無功功率不足和消除無功過剩。在無功過剩時，電站可調(diào)相運行，吸收系統(tǒng)內(nèi)無功，降低電壓，以保障電壓在正常范圍內(nèi)，提高供電質(zhì)量。

5）緊急事故備用

電站運行時遇電力系統(tǒng)故障，清原電站上、下游水庫在正常水位范圍內(nèi)運行時，發(fā)電工況可利用未帶滿負荷機組發(fā)事故出力頂替停運機組；抽水工況可按需要以整臺機組退出水泵運行用以減輕電網(wǎng)負荷，發(fā)揮事故備用作用。

清原抽水蓄能電站上、下水庫留有一定的發(fā)電備用庫容，可供六臺機發(fā)電1 h 左右。因此，可以充分利用調(diào)節(jié)庫容水量承擔(dān)事故備用，事故備用完成后安排機組在系統(tǒng)負荷較低時抽水及時補充。

6）黑啟動運行方式

為維持機組性能保證長期安全穩(wěn)定運行，清原抽水蓄能電站的黑啟動功能優(yōu)先按照半黑啟動方式設(shè)計。根據(jù)選定的廠用電系統(tǒng)接線，由于柴油發(fā)電機接在10 kV IV 段母線，系統(tǒng)解列，該電源投入時，可通過合10 kV 母聯(lián)開關(guān)選擇任一臺機組在交流電源滿足的條件下進行正常啟動，并完成對系統(tǒng)充電。極端情況下，應(yīng)急電源也無法正常投入時，考慮主機及其附屬系統(tǒng)的設(shè)計和制造要按無交流電源情況進行設(shè)計，如設(shè)置交直流高壓油頂起減載裝置等，此時完全通過直流系統(tǒng)（DC220 V）啟動機組，即在此極端情況下采用全黑啟動方式。

因此，清原抽水蓄能電站可采用半黑啟動和全黑啟動兩種方式確保本電站機組具備黑啟動和遠方遙起的能力。

2.2 配合風(fēng)電能源運行方式

清原抽水蓄能電站建成后在遼寧電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰和填谷任務(wù)，從電站的屬性來看，配合風(fēng)電運行，可一定程度減少棄風(fēng)，但應(yīng)受電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度運行。

當(dāng)負荷處于低谷時，風(fēng)電出力突然增大，可根據(jù)電網(wǎng)對風(fēng)電的消納能力，增大清原電站的抽水容量，以減少棄電量；如風(fēng)電出力突然減小，可適當(dāng)減小抽水容量，增加抽水時間，以滿足高峰時段的用電要求。

當(dāng)負荷處于高峰時段，風(fēng)電出力突然增大，可根據(jù)電網(wǎng)對風(fēng)電的消納能力，減小清原電站的發(fā)電容量，適當(dāng)增加發(fā)電時間；如風(fēng)電出力突然減小，則應(yīng)加大清原電站發(fā)電容量。

當(dāng)清原電站處于停機狀態(tài)，風(fēng)電出力突然增大時，可開機抽水減少棄風(fēng)；如風(fēng)電出力突然減小，可開機發(fā)電，平抑電力系統(tǒng)出力，滿足電網(wǎng)運行要求。

2.3 防洪調(diào)度運行方式

2.3.1 上水庫

上水庫由于集水面積較小，且具有較好的調(diào)蓄能力，因此不再設(shè)置專門的泄洪（放空）設(shè)施。同時，電站上水庫樞紐布置能夠滿足200 年一遇和2000 年一遇24 h 洪水存蓄要求。因此，上水庫樞紐布置完全能夠滿足自身防洪要求。從安全角度考慮，上水庫水位超過正常蓄水位725 m 后，應(yīng)停止抽水運行。

2.3.2 下水庫

清原抽水蓄能電站下水庫應(yīng)保證洪峰前的下泄流量不大于入庫流量，洪峰之后根據(jù)上、下水庫蓄水量情況，適當(dāng)調(diào)整下泄流量，保證足夠的發(fā)電用水量，避免超泄。下水庫泄洪建筑物主要為溢洪道和泄洪排沙洞，下泄流量不超過壩址天然洪峰流量，下水庫的洪水調(diào)度方式如下：

洪水標準不超過200 年一遇時，考慮系統(tǒng)的調(diào)峰需要，電站正常發(fā)電。隨著洪水泄入下水庫，及時開閘嚴格控制下水庫水位，儲備蓄能電站正產(chǎn)發(fā)電對應(yīng)的調(diào)節(jié)庫容。當(dāng)天然來流量大于設(shè)計洪峰流量時，考慮電站停止發(fā)電，洪水通過溢洪道和泄洪排沙洞泄洪。

2.4 防冰凍運行方式

清原抽水蓄能電站地處北方寒冷地區(qū)，根據(jù)有關(guān)資料分析，上水庫多年平均氣溫為4.1℃，7 月份氣溫最高，多年平均為21.1℃，1 月份氣溫最低，多年平均為-16.7℃。在嚴寒地區(qū)，上水庫在距離進出水口較遠區(qū)域易形成密實的冰體覆蓋層，靠近進出水口區(qū)域受水位升降的作用，冰厚變薄，冰層破碎，形成浮冰、冰花和一定面積的無冰水域。冬季電站應(yīng)保證每天開啟一定數(shù)量的機組，利用水流紊動阻止冰蓋形成。因此，應(yīng)結(jié)合冰凍規(guī)律、抽水蓄能電站運行特點，在冰凍期指定行之有效的防冰凍調(diào)度運行方式。

保證每日至少有一天機組抽水、發(fā)電循環(huán)，夜間抽水6 h～8 h，次日早高峰或者晚高峰運行4 h～5 h，通過水流往復(fù)運動使水位完成消落和上充的交替變化，利用強紊動和不同水溫交換解決冰凍問題，使上、下水庫不形成整體冰蓋，使冰面不與壩體表面凍結(jié)在一起，冰面能夠跟隨水位運行整體作上下運動，不影響電站正常發(fā)電。

若遇到機組全部長期停機狀態(tài)，應(yīng)組織專人進行冰情觀測巡視，記錄各處結(jié)冰情況，待機組重新發(fā)電之前進行針對性的破冰處理，特別是電站進、出水口處的破冰。

2.5 防排沙運行方式

susbed-2 模型為一維恒定平衡輸沙模式計算的非均勻性沙數(shù)學(xué)模型，通常用于計算和預(yù)測水庫及河道水沙和河床變形。采用《Susbed-2》模型計算清原下水庫的泥沙淤積量并預(yù)測庫中的泥沙淤積形態(tài)。

由計算結(jié)果可知：清原下水庫入庫懸移質(zhì)沙量為1.306 萬t，推懸比取15%，推移質(zhì)沙量為0.196 萬t，壩址泥沙總量為1.5 萬t。

從淤積計算成果看，壩址以上約2.5 km～3.9 km 范圍內(nèi)的尖山子村是河流由南北折向東西方向的轉(zhuǎn)折處，地勢基本平坦，是水庫建成后泥沙淤積集中地區(qū)，另有少量推移質(zhì)淤積在庫尾。建庫50 年后，死庫容損失1.36%，正常蓄水位以下庫容損失2.8%，調(diào)節(jié)庫容損失2.97%。下水庫進/出水口斷面距離下水庫壩址上游約460 m 估算其50 年淤沙高程為293.4 m。

綜上，清原抽水蓄能電站泥沙問題不嚴重，不設(shè)置攔砂壩，下水庫進出水口設(shè)置攔沙坎可滿足電站要求。

3 結(jié)論

（1）系統(tǒng)研究抽水蓄能電站發(fā)電調(diào)度運行方式，分析機組黑啟動過程及其關(guān)鍵要素提升電網(wǎng)事故應(yīng)急響應(yīng)能力，可更好地保障電網(wǎng)的安全運行。

（2）風(fēng)能是一種隨機性、間歇性的能源，不能提供持續(xù)穩(wěn)定的功率，發(fā)電穩(wěn)定性和連續(xù)性較差。清原抽水蓄能電站具有調(diào)峰、填谷作用，可平抑風(fēng)電不穩(wěn)定的出力，降低風(fēng)電出力的隨機性對電力系統(tǒng)的影響，減少棄風(fēng)率。

（3）雖然抽蓄電站不承擔(dān)下游防洪任務(wù)，不需設(shè)防洪控制水位，但在洪水調(diào)度設(shè)計中應(yīng)充分調(diào)查下游的安全泄量，考慮電站發(fā)電運行與下游安全，綜合經(jīng)濟與可能性進行電站的泄洪設(shè)施規(guī)模及方式，擬定合適的洪水調(diào)度原則。

（4）抽水蓄能電站庫區(qū)冰清與常規(guī)水電站區(qū)別較大，尤其是電站運行條件和庫區(qū)冰清的相關(guān)性。系統(tǒng)研究寒冷地區(qū)抽水蓄能電站庫區(qū)冰清演變特征對防治病害具有重要意義。